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键盘摄影(二)——曝光三要素

2020-05-07

在前文 键盘摄影(一)——相机成像基本元件 中,我们提到了光圈和快门时,其实就已经出现了很多倍数关系带来的曝光量的变化,而摄影其实包含光的学问,今天我们要介绍的便是影响曝光的三要素。

ISO

除了光圈(曝光孔径大小),快门(曝光时间),还有一个是成像元件的感光度,ISO为感光度的国际标准,在摄影中我们便用 ISO 指代感光度。为了介绍 ISO,我们完全可以先来熟悉下光学中的相关物理概念。

胶片的 ISO

感光度ISO代表感光速度的标准,代表胶卷使用的颗粒,CCD或者CMOS感光元件的感光速度,数值越高就说明该感光材料的感光能力越强。从公式我们可以看出,感光度越高,对曝光量,光的积分通量的要求就越少。

通俗一点就是衡量胶卷需要多少光线才能完成准确曝光的数值。胶卷上标的100、200、400,数字表示的就是感光度。数值增大,胶卷对光线的敏感程度也越大,ISO 200的胶卷的感光速度是ISO 100的两倍,换句话说在其他条件相同的情况下,ISO 200胶卷所需要的曝光时间是ISO 100胶卷的一半。而使用高ISO的颗粒噪声带来的噪点也相对的大。

数码的 ISO

数码相机的感光器件是使用了CCD或者CMOS,对曝光多少也有相应要求,也就有感光灵敏度高低的问题。

而数码相机的本质其实是一个光电反应,光电反应本身具有逸出功(最小激活能量),光通过镜头打在CMOS/CCD传感器上,ISO描述了最小需要多少的曝光量,才能使得该传感器颗粒被激活,然后通过AD转换,把光电反应的模拟信号转换成数字信号成像。

这也就相当于胶片具有一定的感光度一样,数码相机厂家为了方便数码相机使用者理解,一般将数码相机的CCD/CMOS的感光度(或对光线的灵敏度)等效转换为传统胶卷的感光度值,因而数字照相机也就有了感光度的说法。胶片相机只能通关替换不同颗粒材质的胶片来改变ISO,而数码相机的感光元件是不变的,而数码相机是如何实现调节ISO的呢?

数码相机的ISO本质上就是模拟信号的增益,如今的数码相机普遍采用了电子信号放大增益技术,与ISO数值相对应的是模拟信号放大增益值,比如设定在标准值时(无增益)提供等同ISO100(原生ISO)的增益幅度。数码相机的感光元件属于主动元件,存在暗电流,普通模式下设置了截止电流,并不会使用到存在噪声干扰的部分,当环境光线黯淡时,CCD/CMOS的输出电平较低,使用高感光度模式,放大器也按相应的ISO数值加大增益幅度,噪声也相应放大,而传感器在工作中一定受到不同程度的周边电路和本身像素间的光电磁干扰,这些背景噪声和干扰反映到图像上就是随机的杂点。

个别厂商提供了另一种解决方案,即对两个像素的感光信号进行叠加,便可获得原来两倍的感光度。但这种工作方式也有其缺陷,只适合较小的影像模式,因为像素数在处理中减半了。在获得高ISO的同时与成像相关的像素数也会成倍缩减,为了保证成像尺寸原本的影像信息会被扩大,噪点就这样产生了。

还有另一种高ISO数值的解决方案是合并像素后感光,采用把数个像素点当成1个像素点来进行感光的方式,多个像素点有更多曝光量,从而提高感光速度。该工作方式对高像素机型较有优势,但噪点的产生比前两种来的更为明显。因为减少了感光像素,所以在白平衡过程中只有进行像素插值才能得到完整的影像。

虽然高ISO在噪点方面还是令我们有这样那样的担忧,但为了获得更高的快门速度和更明亮的画面,这也算是一种不增加成本的折中解决方法。低ISO值适合营造清晰、柔和的图片,而高的ISO值却可以补偿灯光不足的环境。

曝光三要素

而相机的传感器是怎么互相影响曝光和成像的呢?这就是摄影中最重要的曝光三要素。

光圈,快门,ISO。

光圈与快门对曝光的控制光圈和快门是调整和控制曝光量的装置,它们是倍增或是倍减的关系,这种关系可以通过不同的组合来得到相同的曝光量。例如说,光圈F8、1/30秒为正确曝光值时,如果用光圈f5.6、1/60秒,或是f11、1/15秒来组合,它们所得到的曝光量也是一样的。而ISO也是呈倍数关系,来控制曝光量。这样,摄影师可以根据自己的目的来选择光圈,快门速度和 ISO。

虽然他们都能控制曝光量,但是各自有不同的特点。

光圈越大,进光口径越大,进光量越多,景深越小。

快门越慢,进光时间越长,进光量越多,运动的景物越容易糊;

感光度越高,对光线的感应能力越强(对信号的放大程度越高),噪点越多。

了解了曝光三要素,我们便可以开始键盘摄影了(大雾):

camerasim.com ​

这是一个 camera sim 网页,可以在上面调节光圈,iso,快门,物距,焦距,白平衡等。


欢迎在我的专栏「自律走行」中查看更多「键盘摄影」系列文章

  • 键盘摄影(一)——相机成像基本元件
  • 键盘摄影(二)——曝光三要素
  • 键盘摄影(三)——等效焦距和等效光圈
  • 键盘摄影(四)——相机成像元件:胶片与彩色暗房
  • 键盘摄影(五)——相机成像元件:CMOS/CCD
  • 键盘摄影(六)——相机成像模型
  • 键盘摄影(七)——深入理解图像信号处理器 ISP
  • 键盘摄影(八)——相机结构和卡口
  • 键盘摄影(九)——光学像差
  • 键盘摄影(十)——滤镜的种类和作用
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键盘摄影(三)——等效焦距和等效光圈
键盘摄影(一)——相机成像基本元件
  1. 1. ISO
    1. 1.1. 胶片的 ISO
    2. 1.2. 数码的 ISO
  2. 2. 曝光三要素
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